Estudió Matemáticas y Derecho en la universidad de Leiden. Realizó largas estancias en París (especialmente entre 1666 y 1681), donde conoció a Pascal y Leibnitz y colaboró en la fundación de la Academia Francesa de Ciencias. En 1681 volvió a Holanda donde permaneció el resto de su vida, excepto una breve estancia en Londres (1689) donde conoció a Newton. 

En astronomía construyó lentes y telescopios que le permitieron descubrir el primer satélite de Saturno (Titán, en 1655), las estrellas de la nebulosa de Orión (1656) y los anillos de Saturno (1659); así como el estudio de la superficie de Marte.

Su investigación en mecánica le llevó a estudiar el choque elástico, la fuerza centrífuga y el movimiento del péndulo. Esta última investigación le permitió la construcción de relojes mecánicos, inventando el reloj de péndulo. La disponibilidad de estos instrumentos era un gran problema científico-tecnológico de la época, pues era necesario, aparte de para medir el tiempo, para ayudar en la navegación marítima.

Investigó en óptica, motivado por su interés en los telescopios. Propuso la teoría ondulatoria de la luz (en oposición a la corpuscular de Newton) que fue presentada en la Academia de Ciencias de Paris en 1678. La teoría de Huygens era capaz de explicar propiedades geométricas de la luz, como la reflexión y la refracción; siendo uno de los pioneros en óptica geométrica.

En matemáticas, sus principales aportaciones son en teoría de la probabilidad (con una amplia correspondencia con Pascal y Fermat, los fundadores de esta área de las matemáticas), en el que introduce el concepto de esperanza matemática; y en el estudio de curvas de interés en física, como la cicloide y la parábola y desarrolla el concepto de envolvente de familias de curvas.